追逐宇宙射線的獵人:羅西(下)太空探索的先驅

  • 阿文開講
  • 撰文者:高崇文
  • 發文日期:2023-12-12
  • 點閱次數:880

上一回阿文介紹了研究宇宙射線的先驅,布魯諾· 羅西(Bruno Benedetto Rossi,1905-1993)的人生故事,但只講到了一半,現在接著講下去羅西人生的下半場。1943 年7 月上旬,貝特邀請羅西加入曼哈頓計畫,不到一個月,羅西就到洛斯阿拉莫斯實驗室報到;幾週後,羅西的太太,諾拉和他們三歲的女兒弗洛倫斯也趕往在新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯與羅西重聚。實驗室主任歐本海默要求羅西建立一個小組,負責開發製造原子彈所需的探測儀器。羅西很快意識到,原先那裡已經有一個由瑞士物理學家施塔布(Hans H.Staub,1908-1980)所領導的小組,他們的任務與自己頗為相近。於是兩人決定將他們的小組合併成一個「探測器組」。他們底下大約20 名年輕研究人員,包括後來在羅西手下拿到博士學位的“ 電子巫師” 馬修· 桑茲(Matthew Linzee Sands,1919-2014)和施塔布從史丹佛大學帶來的粒子探測器專家,大衛·B· 尼科德默斯(David Bowman Nicodemus,1916-1999)。

為了估算原子彈的威力,科學家需要發明新的探測器去探測大型電離輻射,因為原子彈威力愈強,釋放出來的輻射強度愈高,探測到的空氣電離程度也就愈高。放射性研究一開始,就是根據空氣電離程度來測量輻射強度,但當時的電離室對變化的反應很慢。為了解決這個問題,羅西和施塔布仔細分析單一帶電粒子在電離室內產生離子時的脈衝。他們意識到非常短暫的脈衝表示從原子中被電離的自由電子擁有很高的遷移率。羅西與艾倫(James S. Allen,1911-1982)合作,發現了電子在混合氣體中的漂流速度比在單一種類的氣體中來得大。艾倫和羅西以此發明了所謂「快速電離室」,並在戰後獲得了專利。它是曼哈頓計畫成功的關鍵因素之一,後來被廣泛用在戰後的粒子物理學研究中。

1944年4月,同樣是來自義大利的猶太科學家塞格雷帶領的團隊發現在反應堆中製造的鈽無法用於像「瘦子」這樣的槍式鈾彈。這讓歐本海默下定決心,徹底重組了實驗室,專注在內爆型武器的開發。因為鈽的產量遠高於鈾235,如果鈽彈不奏效,整個曼哈頓計畫只能產生一顆原子彈!配合這個情勢,羅西被分派一個新任務,就是要發展出一種方法來測試各種武器設計,這些設計的目標是找到一種能夠產生精確對稱球形內爆的方法。羅西要測量的是金屬球體在內爆壓縮時吸收伽馬射線的變化量,這些伽馬射線是由位於球體中心的放射性同位素鑭140所發射的,鑭140 的半衰期是40.286 小時。這個實驗被稱為RaLa 實驗是因為RaLa 是Radioactive Lanthanum(放射性鑭)的縮寫。隨著金屬球被壓縮,中子吸收率的增加速度是由組件外部記錄的伽馬射線強度的降低速度來估計。RaLa 實驗揭示了通往成功內爆的許多障礙,為了理解困擾早期內爆設計的噴射氣流,其他測試方法是必要的,但RaLa實驗在爆炸透鏡(explosive lens)的設計中還是發揮了主要作用。在洛斯阿拉莫斯的各項目之中,大衛· 霍金斯寫道:「RaLa 成為影響最終炸彈設計最重要的單一實驗。」最後的成果就是在1945 年7 月16 日,新墨西哥州阿拉莫戈多附近的三位一體核爆測試場引爆的那個內爆型鈽裝置。這個裝置的代號是“小玩意”(The gadget),它的設計與二十四天後投在長崎的胖子原子彈非常相似。

為了準備三位一體測試,羅西設計了儀器來記錄連鎖反應期間放出的伽馬輻射,預計其持續時間約為10 奈秒(1 奈秒 = 10−9 秒)。要在這個時間尺度上做觀察幾乎要超出1945年能達成的最新技術水準,但羅西設計並建造了一個大型圓柱形電離室,其響應速度夠快,而且它的同軸電極被僅1 厘米(0.39 英寸)的狹窄間隙隔開。為了記錄信號,他在距離Gadget 數百英尺的地下掩體中安裝了一台速度非常快的示波器,該示波器由DuMont 實驗室作為原型提供,並在那裡拍攝。為了將信號傳送到示波器,他設計了一條超大的同軸傳輸線,其內部導體再從腔室到示波器的過程中變得更小。因為這種配置增強了到達示波器的信號,所以甚至不需要放大。為了證實這種令人驚訝的現象,羅西還特地諮詢了哈佛大學的專家愛德華· 普塞爾(Edward Purcell),普塞爾後來因為發明磁核共振而得了諾貝爾獎呢!三位一體核爆測試後幾天,羅西和費米一起進入暗室,在沖洗膠片未乾之前,他們就算出核活動的初始增長率,這是未來武器開發的關鍵資訊。在三位一體核試爆後,三個量測初始增長率的嘗試中,只有羅西那一次是完全成功的。

隨著曼哈頓計畫和輻射實驗室的成功,麻省理工學院進入了由美國政府資助的“ 大科學” 新時代。麻省理工學院在原子核物理方面由傑羅德· R · 迦撒利亞帶頭,他在戰爭後期去了洛斯阿拉莫斯,他招募了魏斯考夫(Viki Weisskopf)和羅西一起去麻省理工學院。於是羅西便於1946 年2 月6 日離開洛斯阿拉莫斯前往麻省劍橋。在以撒迦利亞為首的新原子核科學實驗室內,羅西受命在麻省理工學院創建一個宇宙射線研究小組。他招募了四位曾在洛斯阿拉莫斯擔任博士候選人的年輕科學家:赫伯特· 布里奇、馬修·桑茲、羅伯特· 湯普森和羅伯特· 威廉姆斯。兩個曾在輻射實驗室工作過的人,John Tinlot 和Robert Hulsizer 也來和他一起工作。這六個人都比一般的研究生成熟,因為他們都有好幾年的戰時研究經驗;因此,他們獲得了與博士後研究員相似的津貼,該津貼由海軍研究辦公室資助,使他們能夠在博士生期間維持生計。

羅西的研究生涯也來到了轉折點,用他的話說:

在我的新職位上,我的活動與過去幾年大不相同。過去我總是獨自工作,或者最多在幾個學生的幫助下,我會製作儀器,把它們帶到必須使用它們的地方,進行測量並分析結果。現在,我肩負著整個團隊的責任,重要的不是我自己的工作,而是團隊的工作。我的任務是在我們力所能及的範圍內確定前途最看好的研究計畫,在儀器規劃或實驗結果評估中提供幫助給需要幫助的人,這些工作都要在不阻礙研究人員的個人主動性前提下完成。

隨著1947 年科學家發現了π 介子,尋找新的基本粒子成為熱門研究課題。通過在雲霧室內操作快速電離室,赫伯特證明了,他們記錄的電離爆發(bursts of ionization)主要是由能量相對較低的宇宙射線產生的,它們與原子核相互作用通常涉及噴射流幾個高度電離的核碎片。在這種效應的基礎上,他和羅西證明了這些相互作用的行為類似於穿透簇射(penetrating showers)。羅西的小組持續用雲霧室來研究宇宙射線中新粒子的特性和相互作用。1948 年,借助鉛板與鋁板交替的多板雲霧室,Gregory、羅西和Tinlot證明了,宇宙射線中,相互作用的電磁成分來源,主要是高能光子,而不是原先設想的電子。這一結果證實了歐本海默1947 年提的建議,即中性π 介子與帶電π 介子是在質子中產生,並且該宇宙射線的硬成分來自於中性π介子快速衰變產生的光子所組成。

為了研究新的基本粒子,Bridge 和Martin Annis 在Echo Lake 操作了一個大型矩形多板雲霧室。這項調查成為Annis 於1951 年在羅西指導下撰寫的博士論文的基礎。第二年,他們與羅西的另一位學生Stanislaw Olbert一起通過測量粒子的多重散射來獲取粒子能量的資訊,這變成了另一種使用雲霧室測量基本粒子屬性的方法。1953 年初,羅西與Bridge、Richard Safford 和Charles Peyrou一起發表了被稱為kaons 的基本粒子相關的全面雲霧室研究的結果。Peyrou 是École Polytechnique 的訪客,他在1947 年獲得了渺子質量的準確值。

到了1952 年,科學家已經發現了一個令人眼花撩亂的基本粒子「動物園」,具有各種質量、衰變模式、命名法。為了應對這種情況,布萊克特和勒普林斯-林格於1953年在巴涅爾-德-比戈爾組織了一次國際宇宙射線會議。根據詹姆斯· 克羅寧(James Cronin)的說法:「本次會議可以與另外兩個著名的會議(1927 年的索爾維大會和1948 年的庇護所島會議)算成同類的重大會議。」Louie Leprince-Ringuet(1901-2000)要求羅西對會議上提出的各種新訊息進行總結報告,並提出新粒子的命名法。為了回應這項任務,羅西提出了一個建議,即質量小於中子的粒子用小希臘字母表示,質量較大的粒子用大寫希臘字母表示。他在1953 年7 月11 日的演講中正式提出,在Powell 和Fretter 的幫助下編寫的會議結果與後來普遍使用的方案是一致的。

會議的一個受到注目的焦點是Leprince-Ringuet 在閉幕詞中的聲明:「…… 未來我們必須使用粒子加速器。」由於3 GeV Cosmotron 已經在布魯克海文國家實驗室運行,這一聲明反應了參與者之間的共識。結果,羅西的小組開始結束他們的雲霧室實驗。不過就在1954 年,Bridge、Hans Courant、Herbert DeStaebler, Jr. 和羅西報導了一個不尋常的事件,其中一個停止的單一帶電粒子衰變為三個光子,其總能量超過了質子靜止能量。這是反質子湮滅的特徵; 第二年,歐文· 張伯倫和埃米利奧· 塞格雷領導的一個小組檢測到了反質子,他們兩人因此獲得了1960 年的諾貝爾物理學獎。

羅西從原本宇宙線的研究,轉到高能粒子的偵測,下一步則是將注意力轉回到與天體物理學相關的宇宙射線現象,特別是大範圍的空氣簇射。羅西在厄利垂亞發現這些事件之後,皮埃爾· 奧格和威廉姆斯對它們進行了更廣泛的研究。這時,新開發的閃爍計數器極快響應為研究空氣簇射(air showers)結構提供了新的途徑。為此,羅西招募了喬治·W· 克拉克(George W. Clark)和帕多瓦大學的訪問學者皮耶羅· 巴西(Piero Bassi),後者於1952 年完成了博士學位。由於無法獲得固體閃爍材料,他們決定使用溶解在汽油中的三聯苯,這是一種高效的液態閃爍體。在1952/53 年冬季,他們利用部署在麻省理工學院物理大樓屋頂的三個計數器,發現了簇射粒子以接近光速的方向沿著簇射軸傳播,到達距離圓盤僅一兩米的範圍內。這一結果表明,閃爍計數器不僅可以確定大面積分佈的許多探測器的簇射盤偵測到粒子的到達時間,還可以估計撞擊每個探測器的粒子數量。這些功能將確定簇射粒子到達方向的「快速計時」方法與確定其大小和軸位置的密度採樣方法相結合。隨著這一進展,羅西的小組開始了一項重大實驗,該實驗可以測量大範圍空氣簇射的能量和到達方向。參與這項工作的有:George Clark、William Kraushaar、John Linsley、James Earl 和Frank Scherb。Kraushaar 在Kenneth Greisen指導下獲得博士學位後,於1949 年從康乃爾來到麻省理工學院,在哈佛學院天文台台長唐納德· 門澤爾教授的支持下,羅西的小組在天文台附近阿加西站(Agassiz Station)附近一處樹木繁茂的場地上部署了15 個液體閃爍體,面積為1 平方米(11 平方英尺)。信號通過電纜被傳送到Quonset 小屋,在那裡它們被顯示在15 台示波器上並以照片的方式記錄下來。實驗開始記錄簇射數據後不久,閃電點燃了其中一個計數器的易燃液體,雖然當地消防員迅速撲滅了大火,但是火勢蔓延到附近被雨水浸濕的樹木。由於樹木在抑制大氣對流方面發揮了重要作用,而大氣對流會降低望遠鏡觀測性能,所以樹木不能說砍就砍。哈佛和麻省理工學院為此還進行了一番談判,直到安裝了一個精心設計的防火系統,羅西的實驗才得以恢復。為了消除火災威脅,Clark、Frank Scherb 和William B. Smith 創建了一個「工廠」,生產厚度為10 厘米(3.9 英寸)、直徑約為1 米(3英尺3 英寸)的不易燃塑料閃爍體圓盤。

在1956 年春末改用不易燃塑料以後,實驗繼續進行。其研究結果由羅西總結為:
1. 精確測量作為與簇射中心距離的函數的簇射粒子密度。
2. 測量從1015 電子伏特到1018 電子伏特的簇射的初級粒子的能譜。
3. 證明這些粒子從各個方向以幾乎相等的數量到達。
4. 觀察到能量接近1019 電子伏特的粒子。

隨著阿加西實驗的結束,該小組意識到需要在赤道附近和南半球進行觀測,以擴展他們的結論,即空氣簇射到達方向幾乎是各向同性的。因此,克拉克與Vikram Sarabhai合作, 在印度Kodaikanal ( 北緯10°)進行了他的小型實驗,並證實不存在各向異性(anisotropy)。後來,在Ismael Escobar 的建議下,阿加西設備被移至南緯16° 玻利維亞高原4200 米處的El Alto;在這裡,Clark、Escobar 和Juan Hersil 沒有發現各向異性,但他們表明空氣簇射在發展到極致時的結構與海平面的空氣簇射明顯不同。阿加西實驗記錄的粒子最大能量為1019 電子伏特,這是因為能量超出這個數值的帶電粒子速度太快,無法被典型星際磁場(約10−5 高斯)束縛在銀盤內。這時需要一個非常大尺寸的探測器陣列來探測這些能量的簇射。約翰· 林斯同意承擔建造這樣一個陣列的責任,他於1954 年從明尼蘇達大學來到麻省理工學院,並在Edward P. Ney 的指導下完成了博士學位。很快,羅西從米蘭大學的奧基尼亞尼團隊招募Livio Scarsi 加入他的行列。

由於波士頓附近沒有足夠大的空地,該陣列選在一個名為火山牧場(Volcano Ranch)的地方,那裡幾乎是廢棄的土地,位於新墨西哥州阿爾伯克基以西約16 英里(26 公里)處,海拔1,770 米(5,810 英尺)。在1957 年和1958 年期間,Linsley 和Scarsi 部署了19個閃爍計數器,它們使用類似於阿加西探測器的螢光塑料圓盤,除了每個計數器包含由四個光電倍增管觀察的四個圓盤。最初陣列的面積為2.5 × 106 平方米,這是為了與阿加西的105 平方米進行比較;但在1960 年,Scarsi 返回米蘭後,Linsley 將探測器分佈在107 平方米的面積上。火山農場(Volcano Ranch)實驗的結果表明,宇宙射線強度隨著1017 - 1018 電子伏特的能量而平穩降低,並且該範圍內的原色以各向同性的方式到達,特別重要的是,它檢測到能量達到1020 電子伏特的高能粒子,這麼高的能量無法被銀河磁場束縛在銀河盤中,因為這些能量的粒子突破了Greisen-Zatsepin-Kuzmin 極限,這麼高能量的粒子只能起源於銀河暈(galactic halo)或銀河系之外了。

1957 年10 月4 日,蘇聯發射了第一顆人造地球衛星Sputnik 一號。這一事件引發了Sputnik 危機,美國掀起了一股“ 近乎歇斯底里的浪潮”。作為回應,美國政府不得不增加對國家科學基金會的資助,並於1958年創建了美國國家航空暨太空總署(NASA)和高級研究計劃署,後者於1972 年更名為國防高級研究計劃署(DARPA)。1958 年6月4 日,在提出創建NASA 的立法兩天後,美國國家科學院主席Detlev W. Bronk 會見了這三個機構的負責人,成立了一個新的諮詢機構—太空科學委員會,負責提供建議如何擴大太空研究並確保適當強調對基礎科學的資助。這個委員會於1958 年6 月27 日召開了第一次會議,其中只有四名成員從事過太空研究:羅西、利奧· 戈德堡、約翰·辛普森和詹姆斯· 范艾倫。羅西成立了一個小組委員會,他們一致認為對太空中的電漿進行調查是可行的;因此,羅西決定將他的團隊努力從原先的宇宙射線再轉到這個新方向。羅西借助了Herbert Bridge 的能力,設計並測試了傳統上使用的法拉第杯的電漿探針。為了增強儀器對帶正電的質子反應並且抑制對陽光產生的光電子反應,他們在杯內部署了四個網格。一項關鍵創新是將調製電壓施加到其中一個網格上,將信號轉換為交流電,這個訊號與質子通量成正比,並且不受任何光電子的影響。

在美國太空總署太空飛行計畫副主任荷馬紐厄爾(Homer Newell)的積極遊說之後,羅西獲准利用探索者10 號投放「戈達德的第一顆本土衛星」。未公開的目標是要撞擊月球,但在1961 年3 月25 日發射後,這顆衛星只進入了一個高度拉長,環繞地球的軌道,其遠地點沒有達到距月球,到了還差了地月距離30% 的地方,遠低於原先設定的目標。儘管如此,在電池電量耗盡之前,麻省理工學院探測器記錄的52 小時數據中,羅西的團隊發現了地球周圍兩個不同區域之間的過渡區。他們發現在地球附近,有相當強且組織良好的磁場,但沒有行星際質子的跡象。在22 個地球半徑處,探測器進入了一個磁場更弱且更不規則的區域,並且觀察到大量的質子通量,大致來自於太陽的方向。在其餘的飛行過程中,有幾次質子通量消失,然後再次出現,這表明探測器正在靠近兩個區域之間的邊界飛行,並且該邊界正在不規則地移動。這個邊界現在被稱為磁層頂(magnetopause), 在Bridge和羅西的領導下,麻省理工學院空間電漿小組包括Frank Scherb、Edwin Lyon、Alan Lazarus、Alberto Bonnetti、Alberto Egidi、John Belcher 和Occhialini 的妻子Constance Dilworth。它的法拉第杯在地球附近OGO-1、OGO 3 和IMP 8 在W 行星際空間中的WIND,在日球層和日光鞘中的航海者1 和航海者2 都收集了整個太陽系中電漿的數據。

羅西也是第一個認真思考探測來自太空的X 光訊號,據說他是有一次在搭機時,心血來潮,估算測量太空的X 光訊號的可能性。其實早在1949 年9 月,美國海軍研究實驗室(NRL)的研究人員在新墨西哥州的白沙飛彈靶場,使用德國V- 2 火箭搭載的蓋革計數器,首次觀測到了太陽日冕發出的X 射線,證實了太陽是一個X 射線源。1956 年,人們又利用氣球上發射的固體火箭觀測到了太陽耀斑發出的X 射線,但是羅西卻是第一個相信可以主動取探測到太空來的X 光訊號。他有一個好幫手,就是來自義大利熱那亞的里卡爾多· 賈科尼(Riccardo Giacconi,1931-2018),算起來他是羅西的徒孫,因為他的指導教授奧基尼亞尼正是羅西的第一個學生。賈科尼在羅西的帶領下著手推動利用火箭探測太空中的X 射線輻射的計畫。原先他們想要探測太陽輻射照射在月球表面可以激發X 射線螢光;1962 年6 月,帶有3 個蓋革計數器的Aerobee 火箭發射升空,利用其自身的旋轉在X 射線波段進行掃描,雖然沒有探測到原先計劃要量的月亮反射的X 射線螢光,卻意外地在天蠍座發現了第一個宇宙X 射線源—天蠍座X- 1,這一發現被認為是X 射線天文學的開端。由於X 射線照射普通物質時會穿透或吸收,不能像可見光一樣發生反射和折射,賈科尼也致力發展掠射式望遠鏡,讓X 射線以近乎平行的角度照射在金屬板上發生反射,從而聚焦成像,用這個原理製造的望遠鏡稱為掠射式望遠鏡,主要用於軟X 射線的成像。目前大部分X 射線天文衛星上都安裝了掠射式望遠鏡,口徑和解析度都在不斷提高。賈科尼後來於2002 年因為「在天體物理學領域做出的先驅性貢獻,這些研究導致了宇宙X 射線源的發現」而得到諾貝爾獎,他獨享一半的獎金。另外兩位得主雷蒙德· 戴維斯與小柴俊夫則是因為「在天體物理學領域做出的先驅性貢獻,尤其是探測宇宙微中子」而平分另一半的獎金。

羅西多彩多姿的研究生涯於1970 年從麻省理工學院退休而宣告結束。從1974 年到1980 年,他回到義大利,在巴勒莫大學任教,1980 年再次退休。之後他開始撰寫多部專著,並於1990 年出版了自傳《科學家生命中的時刻》(Moments in the Life of a Scientist),由劍橋大學出版社出版。最終於1993 年11 月21 日在麻省劍橋的家中過世。他骨灰還是選擇放在聖米尼亞托阿爾蒙特教堂的墓地裡,該教堂俯瞰佛羅倫薩和阿爾切特里山。看來,佛羅倫斯的秀麗山河才是他心中的最愛呀!

==================================================
參考資料:
[1] 中文、英文、義大利文維基相關條目。
[2] From cosmic ray physics to cosmic ray astronomy: Bruno Rossi and the opening of
new windows on the universe